経頭蓋磁気刺激、電、モーションキャプチャ、およびバーチャルリアリティを用いたヒトモータ制御研究のための多機能のセットアップ
September 3rd, 2015
経頭蓋磁気刺激、筋電図、および3Dモーションキャプチャは、人間の神経筋機能を調査するために一般的に使用される非侵襲的技術です。このホワイトペーパーでは、これら3つのツールすべてによって生成されたデータを同期的にサンプリングするプロトコルと、仮想現実刺激のプレゼンテーションとフィードバックの独自の追加について説明します。
次の実験の全体的な目標は、人間の生体力学的研究中に記録された複数のデータ ストリームを同期するための一般化された手法を示すことです。これは、筋電図信号とモーションキャプチャ信号を使用して、2つ以上のシステムで独立して記録できるアナログ同期イベントを生成することで実現されます。第2のステップとして、このイベントを各記録デバイスに適した信号に変換する簡単な回路コンポーネントを設計できます。
次に、解析ソフトウェアを使用して、独立して記録された信号間で同期イベントを一時的に位置合わせし、すべての信号を同期します。その結果、いくつかの生体力学的信号をそれぞれのデータ記録システムのサンプリング周波数内で一時的に整列させることができることが示され、これにより、神経筋制御を研究するための人間の自然主義的な動きの豊富な実験データセットを収集することができます。運動制御とバイオメカニクスの分野には、実験室で人間の自然な動きを研究することで最もよく答えることができる複数の複雑な問題があります。
ここでは、バーチャルリアリティを使用して、複数の生理学的信号が同時に記録される行動課題を定義する方法について説明します。ハードウェアベースのビヘイビアリグのような既存の方法に対するバーチャルリアリティベースの実験セットアップの利点は、さまざまな実験や個々の参加者のユニークな解剖学的構造に非常に迅速に適応できることです。行動実験では、筋電図やモーションキャプチャなど、行動を定量化する複数の信号を同時に記録するのが一般的です。
この方法は、複数のメーカー間で互換性のあるカスタム同期ユニットを使用して、これらの信号の時間的アライメントの問題に対するソリューションを提供します。まず、EMG機器間で必要なすべての電気接続を行うことから始めます。アンプ、プリアンプ、センサーワイヤー、センサーパッドは、メーカーの仕様に従って行われます。各電極部位を洗浄して、電極と皮膚のインピーダンス値が一貫して低いことを確認します。
次に、対象の個々の筋肉の等尺性収縮を行うように被験者に指示し、筋収縮の触診位置上にEMG電極を貼り付けます。筋線維に沿った活性部位の向きを念頭に置いてください。接地電極をC 7椎骨の皮膚に取り付けます。
次に、信号品質をテストするために、被験者が関心のある各筋肉を収縮させたときに、コンピューター上で増幅されたEMG信号を検査します。最後に、行動課題に必要な筋肉収縮中にEMG信号が飽和する場合は、増幅ゲインを減少させます。まず、製造元の指示に従ってモーショントラッキングカメラをキャリブレーションします。
アクティブLEDセンサーを、腕の関節の近くの骨のランドマークや、指、手首、肩、胸の近くなどの解剖学的ポイントにテープで貼り付けます。別のLEDセンサーをバーチャルリアリティまたはVRヘッドセットに取り付けて、仮想環境での視点を設定します。次に、各LEDをワイヤレスドライバーユニットに取り付けられているワイヤーハーネスに接続します。
ドライバーユニットの電源を入れ、すべてのLEDが適切に点灯していることを確認します。最後に、同期LEDを被写体から離れた場所に配置しますが、モーションキャプチャカメラの明確な視界内にあります。まず、経頭蓋磁気刺激法またはTMS装置とソフトウェアを校正して、正確なコイル配置を可能にします。
これを行うには、TMSコイルをNAS耳前点や鼻先などの解剖学的ランドマークと共登録します。キャリブレーション ポインターを使用する。次に、ホットスポット技術を実行して、運動誘発電位またはmepsの最大の振幅を生成する皮質上のTMS感受性領域を特定します。
刺激の振幅が最も小さい状態で、キャリブレーションされた定位固定装置とソフトウェアを使用して、被験者の頭皮に最適な刺激部位の位置を記録します。最後に、選択した場所での刺激の振幅を下げて、少なくとも 50 マイクロボルトの meps が 50% の確率で誘発されるまで、被験者の閾値を測定します。まず、ビヘイビアタスクのVR環境をメーカーのプロトコルに従って設定します。
ヘッドセットとモーショントラッキングシステムプログラムと互換性のある商用VRソフトウェアを使用します。パラレルポートを介したデジタル出力により、関心のある特定のイベントの同期とマーキングが可能。VR出力を同期回路や同期する他の機器に、対応するコネクタ付きのケーブルを使用して接続します。
彼または彼女がVRで実行するタスクの要件について通知します。被験者に、球状のターゲットが視界に現れたら指さすように依頼します。被験者がタスクを理解し、それを練習する機会を得たら、1回のVR同期試行中にEMGモーションキャプチャデータと同期信号の記録を開始します。
このソフトウェアは、EMG装置をトリガーして、上肢の動き中に発生した神経筋活動を示す信号を記録します。また、モーションキャプチャ装置をトリガーして、連続的な動きのデータを記録します。この信号は、EMGとモーションキャプチャのデータを同期するために使用できます。ここは。
1つのタスクについて、平均角運動学とダイナミクス、および24回の試行にわたる関連する連続的かつ瞬間的な神経筋活動が示されています。バーチャルリアリティによって提供されるこれらの多次元データセットにより、研究者は特定の人間の運動制御メカニズムを調査することができます。このビデオを見た後、EMGやモーションキャプチャなどの人間の動きの実験中に記録できる複数のデータストリームを同期する方法についての一般的な理解が得られるはずです。
さらに、末梢神経の電気刺激は、その開発後の運動制御に対する感覚フィードバックの寄与を評価するためにも使用できます。この技術は、脳卒中や脊髄損傷などの運動障害を持つ人々の神経制御運動の変化を神経科学者が探求する道を開きました。
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概要
この記事では、経頭蓋磁気刺激、筋電図、3Dモーションキャプチャからのデータを同期させ、神経筋機能を研究するためのプロトコルを紹介します。仮想現実刺激の提示によって実験設定が強化されます。
主要な研究要素
科学分野
- 神経科学
- バイオメカニクス
- 運動制御
背景
- 経頭蓋磁気刺激と筋電図は非侵襲的な技術です。
- 3Dモーションキャプチャは詳細な動きの分析を提供します。
- 神経筋制御の理解は様々な応用にとって重要です。
- これらの方法を組み合わせることで包括的なデータセットを得ることができます。
研究目的
- 複数のデータストリームを同期させる技術を示す。
- 人間のバイオメカニクス研究の理解を深める。
- 自然な人間の動きの分析を容易にする。
使用方法
- 筋電図およびモーションキャプチャ信号が記録されます。
- アナログ同期イベントがアライメントのために生成されます。
- 簡単な回路構成要素が同期イベントを変換します。
- 分析ソフトウェアが記録システム間で信号をアラインします。
主要な結果
- バイオメカニクス信号をサンプリング周波数内でアラインできます。
- 人間の動きの豊富な実験データセットが収集されます。
- 同期により神経筋制御の研究が改善されます。
- 自然な人間の動きを研究室環境で効果的に分析できます。
結論
- このプロトコルは運動制御研究のための包括的なデータ収集を可能にします。
- 複数のデータストリームの同期によって実験の正確性が向上します。
- このアプローチはバイオメカニクスの複雑な問題に対処できます。
よくある質問
Executive Industry Relevance
Synchronizing multimodal physiological data streams is critical for de-risking target validation in neuromuscular discovery programs. This approach enables quantitative, reproducible assessment of motor circuit engagement, supporting predictive confidence in early-stage mechanistic studies. Integration of VR-enhanced behavioral paradigms improves translational relevance for CNS disorder models.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of therapeutic hypotheses by correlating TMS-induced cortical excitability with EMG and kinematic outputs.
- Operational Value: Provides a standardized framework for functional target validation across neuromuscular pathways.
- Predictive Value: Supports mechanistic de-risking through synchronized, multimodal readouts of neural-motor coupling.
Screening & Assay Development
- Assay Readiness: Generates time-locked, quantifiable EMG and motion capture signals suitable for high-fidelity biomarker screening.
- Reproducibility: Custom synchronization unit ensures cross-system temporal alignment, reducing inter-assay variability.
- Scalability: Compatible with multiple manufacturer systems, enabling platform reuse across discovery sites.
Translational & Preclinical Research
- Disease Relevance: Facilitates modeling of motor impairments in stroke and spinal cord injury through naturalistic VR-driven tasks.
- Translational Continuity: Bridges discovery-phase mechanism probing with preclinical validation via quantifiable neuromuscular outputs.
- Risk-Adjusted Advancement: Enables objective go/no-go decisions based on dose-responsive motor circuit modulation.
Pipeline & Workflow Integration
This method integrates into the discovery continuum from target engagement screening through lead optimization, providing mechanistic readouts that inform compound progression decisions.
- Discovery Biology: Supports pathway clarification by isolating cortical stimulation effects on peripheral motor output.
- Screening: Delivers assay-ready, synchronized EMG and motion data for reliable compound effect comparison.
- Analytics: Enables quantitative comparison of neuromuscular activation patterns across experimental conditions.
- Translational Research: Connects target modulation to functional motor outcomes in disease-relevant VR contexts.
- Enterprise Reuse: Synchronization circuit design allows adaptation across labs and studies, promoting standardized workflows.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Reduction of mechanistic ambiguity through temporally aligned neural, muscular, and movement data.
- Operational Value: Standardization and reproducibility via hardware-agnostic synchronization protocol.
- Strategic Value: Improved capital efficiency by enabling multi-modal data collection in single experimental sessions.
- Portfolio Impact: Enhanced risk-adjusted prioritization through objective, quantifiable motor circuit biomarkers.
Implementation Considerations
- Requires expertise in electrophysiology, motion capture, and VR stimulus design.
- Depends on EMG amplifiers, motion tracking systems, TMS neuronavigation, and VR-compatible hardware.
- Necessitates cross-team standardization for electrode placement, sensor calibration, and signal acquisition protocols.
- Adaptation considerations include varying muscle targets, joint kinematics, and VR task complexity across disease models.
- Practical limitation: Synchronization precision is bounded by the sampling rates of individual data acquisition systems.
